楊繡娟,孫繼穎,高聚林,喬帥帥,于曉芳,王志剛,包海柱,黃志遠,胡樹平
(1內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院,呼和浩特 010019;2內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院,呼和浩特 010018;3內(nèi)蒙古自治區(qū)國營巴彥農(nóng)場,內(nèi)蒙古呼倫貝爾 162890)
隨著大氣中溫室氣體的排放及濃度的增加,全球氣候變暖已經(jīng)成為一個不爭的事實[1]。IPCC第五次評估報告表明,全球地表溫度平均升高0.85℃(1880—2012年),升溫速率為0.12℃/10 a(1959—2012年)[2]。尤其是在北半球的高緯度地區(qū),升溫速率尤為明顯。1983—2012年可能是過去1400年中溫度最高的30年[3]。1959—2001年間,中國平均氣溫上升了約1℃,上升速率為0.22℃/10 a[4]。與此同時,氣候變暖對人類生存,社會發(fā)展帶了嚴重挑戰(zhàn),農(nóng)業(yè)部門是受氣候變化影響最大的部門之一[5-6]。因此,了解氣候變化對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),糧食安全和作物空間布局有重要影響[7]。
作物的生長需要滿足一定的熱量條件才能完成其正常生長發(fā)育[8]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中,0℃以上的積溫反映了一個地區(qū)熱量資源的多少,0℃氣溫也是大多數(shù)喜涼作物的下限溫度[9-10]。而≥10℃的初終日一般為喜溫作物開始期和結(jié)束期,而初終日間的持續(xù)日數(shù)為作物生長的活躍期,≥10℃的積溫反映了一個地區(qū)喜溫作物對熱量的需求[11]。2012—2018年,許多學者對于氣候變化與農(nóng)業(yè)氣候資源的關(guān)系進行了研究。氣候變暖對中國中高緯度地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、作物空間布局及耕作制度產(chǎn)生了顯著影響。在農(nóng)業(yè)氣候資源方面,王培娟等[12]研究了東北地區(qū)春玉米不同生育期對熱量的需求,得出生育期內(nèi)熱量指數(shù)增加趨勢顯著,熱量指數(shù)較大的區(qū)域在增大。對作物布局的影響,趙俊芳等[8]指出1961—2010年,不同熟型玉米品種種植界限均出現(xiàn)了北移東擴現(xiàn)象,中晚熟面積在不斷擴大。王培娟等[13]分析了未來氣候變化可能對東北地區(qū)作物布局的影響,結(jié)果表明到2030年,不同地區(qū)春玉米播種期可提前或推遲8~20天,同時,為充分利用熱量資源,春玉米種植區(qū)將繼續(xù)北移東擴。在作物生育期方面,穆佳等[14]分析了春玉米不同生育期持續(xù)時間對氣候變化的響應(yīng),得出氣溫升高是導致作物生育期延長的主要因素,東北地區(qū)春玉米出現(xiàn)生長前期日數(shù)減少,而生長后期日數(shù)增多的現(xiàn)象。在作物熟制和熟型方面,牛海生等[15]分析了伊犁地區(qū)≥0℃和≥10℃的積溫的變化,得出1997年突變后的積溫可以滿足兩熟制作物對熱量的需求。而同樣北疆地區(qū)在氣溫升高的情況下,由一年一熟制為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐荒陜墒熘茷橹鱗16]。袁彬基[17]于歷史和未來氣候情景氣象數(shù)據(jù)研究了氣溫升高對東北地區(qū)春玉米的影響,指出春玉米生產(chǎn)潛力向東北方向移動,玉米品種熟型由早熟向晚熟型過渡。
內(nèi)蒙古地區(qū)位于中國中高緯度地區(qū),是中國最重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地。氣溫升高是氣候變化最為明顯的表現(xiàn)。勢必會給該地區(qū)帶來嚴重的影響。氣溫是研究一個地區(qū)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、氣象災害及社會生產(chǎn)活動等各種指標的基礎(chǔ)因子。因此,本研究的目的是探究內(nèi)蒙古地區(qū)≥0℃和≥10℃初終日、持續(xù)天數(shù)以及積溫的時空分布特征。以期為了解該地區(qū)熱量資源變化及相關(guān)研究提供基礎(chǔ)信息。
內(nèi)蒙古地區(qū)(37°24′—53°23′N,97°12′—126°04′E)位于中國北部邊疆(圖1),地勢從東北向西南延伸,呈狹長型,是中國跨經(jīng)度最大的省份。東西直線距離可達2400 km,南北直線距離可達1700 km,全省面積為1.183×106 km2,約占全國總面積的12.3%[18]。內(nèi)蒙古地區(qū)屬于中高緯度地區(qū),區(qū)域內(nèi)大部分屬于高原地區(qū),距離海洋較遠,屬于內(nèi)陸地區(qū)。地形條件影響著大氣環(huán)流和地表水熱條件的再分配,最終形成了獨特的自然條件和自然資源[19]。內(nèi)蒙古地區(qū)氣候為典型的溫帶大陸性季風氣候,四季分明。受蒙古高壓控制,氣候特征表現(xiàn)為:春季干旱,多風沙天氣;夏季時間短而天氣較熱;秋季氣溫驟降,霜凍來臨早;冬季寒冷漫長,多寒潮天氣[3]。內(nèi)蒙古地區(qū)種植作物種類繁多,主要以春玉米,春小麥,馬鈴薯和大豆等為主。近幾年來,玉米已成為內(nèi)蒙古種植面積最廣的作物。2018年,內(nèi)蒙古糧食作物總播種面積為679萬hm2,玉米播種面積為374.2萬hm2,約占糧食作物面積的55%。
研究所需的氣象資料和農(nóng)業(yè)觀測資料均來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)。選取內(nèi)蒙古地區(qū)1959—2018年50個氣象站點的逐日平均溫度,氣象站點分布如圖1所示。
圖1 研究區(qū)域及氣象站點分布
在眾多統(tǒng)計方法中,五日滑動平均法能較好的反應(yīng)出穩(wěn)定通過某一界限溫度的要求[20]。采用五日滑動平均法計算每一年內(nèi)日平均氣溫≥0℃和≥10℃的初終日、天數(shù)和積溫。具體過程為在五日滑動平均溫度序列中選取第一個(最后一個)在其后(前)不在出現(xiàn)低(高)于≥0℃或≥10℃的五日,在此五日中,選取第一個≥0℃或≥10℃的日期作為穩(wěn)定通過≥0℃或≥10℃的起日(止日),穩(wěn)定通過≥0℃、10℃的積溫和持續(xù)天數(shù)分別為起日和止日時間段內(nèi)的平均溫度、天數(shù)之和[21]。
采用氣候傾斜率來描述氣候要素變化的趨勢特征,其變化可用一次線性方程來表示[22],如式(1)所示。
式中:X為氣象要素的擬合值,b為氣候變化的斜率,t為X相對應(yīng)的年份,a為截距。因此,b×10為氣候傾斜率,表示氣象要素每十年的變化速率。
Mann-Kendall[23]檢驗方法是一種無分布檢驗,因其具有計算簡單、計算過程中不受少數(shù)異常值的干擾等優(yōu)點,常用來檢測序列的變化趨勢。采用Mann-Kendall趨勢分析檢驗法對玉米生育期有效降雨量、需水量和灌溉需水量進行分析,其中統(tǒng)計量z值的正負表示該數(shù)據(jù)的變化趨勢,計算UF和UB兩個統(tǒng)計量并繪制曲線圖,得出其趨勢變化和開始突變年份等。
本研究采用ArcGIS中自帶的克里金和反距離權(quán)重插值法對內(nèi)蒙古50個站點的初終日、積溫、天數(shù)及以上3個指標的氣候傾斜率進行空間插值。
研究表明,內(nèi)蒙古地區(qū)≥0℃初日空間分布不均勻(圖2a),其中,內(nèi)蒙古西部地區(qū)初日出現(xiàn)較早,最早出現(xiàn)在阿拉善右旗和吉蘭太(3月11日),其次為拐子胡、額濟納旗及吉柯德地區(qū)。內(nèi)蒙古東北部地區(qū)初日出現(xiàn)較遲(4月10日以后),主要分布在呼倫貝爾地區(qū)的海拉爾、博客圖、滿洲里、額爾古納、圖里河、興安盟的阿爾山以及錫林郭勒盟的那仁寶力格附近?!?0℃初日主要集中在4月中旬和6月初之間(圖2b)。在空間分布上,≥10℃初日與≥0℃空間分布相似,最早初日出現(xiàn)在拐子胡地區(qū)(4月12日),最晚出現(xiàn)在阿爾山地區(qū)(6月2日)。由圖2c可知,≥0℃初日的氣候傾斜率為-2.98~-0.04 d/10 a之間,均表現(xiàn)為提前趨勢,東北部和中西部區(qū)域的初日提前速率較大,在2.0 d/10 a以上。集寧和赤峰等地的初日提前速率較小,在0.44 d/10 a以下。≥10℃的初日氣候傾斜率在-2.7、0.36 d/10 a之間(圖2d)。除赤峰和寶國吐為推遲趨勢外,其余氣象站點均表現(xiàn)為提前趨勢。初日提前速率最大的地區(qū)為額爾古納和臨河地區(qū),提前速率為-2.74 d/10 a。將內(nèi)蒙古地區(qū)≥0℃和≥10℃的初日與經(jīng)緯度做相關(guān)分析,≥0℃和≥10℃初日與經(jīng)緯度均呈正相關(guān),與經(jīng)度相關(guān)系數(shù)分別為r=0.68和r=0.532,與緯度相關(guān)系數(shù)分別為r=0.78和r=0.59。經(jīng)緯度越高初日出現(xiàn)時間越晚。其相關(guān)性均極顯著(P<0.01)。
1959—2018年內(nèi)蒙古地區(qū)≥0℃平均初日為3月29日,最早初日為3月6日(2014年),最晚初日為4月11日(1980年)(圖2e)。≥10℃平均初日為5月6日,最早初日為4月23日(2018年),最晚初日為5月16日(1962年)(圖2f)。≥0℃和≥10℃初日均表現(xiàn)為提前趨勢,趨勢顯著(P<0.05),分別為1.49 d/10 a和0.63 d/10a。≥0℃的初日提前速率遠大于≥10℃的初日提前速率。利用Mann-Kendall對初日進行突變檢驗,≥0℃初日突變點在1993年(圖2g)?!?0℃初日在1994年均存在突變(圖2h)。
圖2 ≥0℃和≥10℃初日氣候特征
內(nèi)蒙古地區(qū)≥0℃和≥10℃積溫空間分布較為相同,≥0℃積溫在1874~4433℃之間(圖3a),≥10℃積溫在1360~4024℃之間(圖3b)。積溫自西向東表現(xiàn)為減少的分布趨勢。高值區(qū)主要分布在西部地區(qū)的阿拉善盟,≥0℃平均積溫可達 4056℃,≥10℃積溫可達3595℃。低值區(qū)主要分布在東部地區(qū)的圖里河、阿爾山、博客圖和額爾古納等地區(qū)?!?℃平均積溫為2127℃,≥10℃平均積溫為1609℃?!?℃和≥10℃積溫氣候傾斜率空間分布均為正值,整體區(qū)域表現(xiàn)為增加趨勢,≥0℃積溫增加趨勢在43.57~122.24℃/10 a之間(圖3c)。≥10℃積溫增加趨勢在14.36~117.76℃/10 a之間(圖3d)。其中赤峰和寶國吐等地的增長速率較為緩慢,臨河和額爾古納等地的增長速率最快。將內(nèi)蒙古地區(qū)≥0℃和≥10℃的積溫與經(jīng)緯度做相關(guān)分析。≥0℃和≥10℃的積溫與經(jīng)緯度均呈負相關(guān)。與經(jīng)度相關(guān)系數(shù)分別為r=-0.63和r=-0.59。與緯度相關(guān)系數(shù)分別為r=-0.78和r=-0.67。相關(guān)程度均達到了顯著(P<0.01)。
圖3 ≥0℃和≥10℃積溫氣候特征
1959—2018年間,內(nèi)蒙古地區(qū)≥0℃平均積溫為3175.5℃(圖3e),最高積溫為3480℃(2018年),最低積溫2619(1995年)。≥10℃平均積溫為2625℃(圖3f),最高積溫為3053℃(2007年),最低積溫為2304℃(1972年)?!?℃和≥10℃平均積溫變化速率均為正值,分別以93.53℃/10 a和75.48℃/10 a速率上升?!?℃積溫增長速率比≥10℃增長速率大。采用Mann-Kendall方法對≥0℃積溫、≥10℃積溫變化趨勢進行突變分析。其中,≥0℃積溫發(fā)生突變時間為1991年(圖3g)。≥10℃積溫突變發(fā)生在1993年(圖3h)。兩者發(fā)生突變時間并不相同,但相差較小。
內(nèi)蒙古地區(qū)≥0℃持續(xù)天數(shù)空間分布不均勻,持續(xù)天數(shù)在168~246天之間,極差為78天(圖4a)。高值區(qū)分布在阿拉善盟地區(qū),多年平均值在235天以上;低值區(qū)分布在呼倫貝爾盟地區(qū),多年平均值在195天以下。≥0℃持續(xù)天數(shù)氣候傾斜率在0.82~3.79 d/10 a之間(圖4c),均為正值,整個區(qū)域均表現(xiàn)為增加趨勢。東部和西部地區(qū)增長速率較大,分布城市有阿拉善左旗、阿拉善右旗,烏蘭浩特和額爾古納等地區(qū)。中部地區(qū)增長速率較小,分布城市有赤峰、化德和多倫地區(qū),其中,赤峰地區(qū)的增長速率最小。1959—2018年,內(nèi)蒙古地區(qū)≥0℃平均持續(xù)天數(shù)為214天,≥0℃持續(xù)天數(shù)平均增長速率為2.5 d/10 a(圖4e)。增加趨勢顯著(P<0.05)。采用Mann-Kendall方法對≥0℃持續(xù)天數(shù)進行檢驗,突變?nèi)掌跒?996年(圖4g)。將內(nèi)蒙古地區(qū)≥0℃的持續(xù)天數(shù)與經(jīng)緯度做相關(guān)分析,結(jié)果表明:≥0℃持續(xù)天數(shù)與經(jīng)緯度呈負相關(guān)關(guān)系,與經(jīng)緯度相關(guān)系數(shù)分別為r=-0.64與r=-0.81。
內(nèi)蒙古地區(qū)≥10℃持續(xù)天數(shù)空間分布與≥0℃相同,持續(xù)天數(shù)在89~180天之間(圖4b)。極差為91天。高值區(qū)分布在拐子胡、吉蘭太和額濟納旗附近,平均值為178天。低值區(qū)分布在圖里河、阿爾山和博客圖附近,平均值為96天。≥10℃持續(xù)天數(shù)氣候傾斜率在-0.5~4.3 d/10 a之間。除赤峰和寶國吐氣候傾斜率為負值,持續(xù)天數(shù)表現(xiàn)為減少趨勢外,其余站點均表現(xiàn)為增加趨勢(圖4d)。1959—2018年,內(nèi)蒙古地區(qū)≥10℃平均持續(xù)天數(shù)為143天。最大值為150天(2007年),最小值為137天(1962年)。氣候傾斜率平均值為2.3 d/10 a(圖4f)。通過Mann-Kendall方法對≥0℃持續(xù)天數(shù)進行檢驗發(fā)現(xiàn),≥10℃平均持續(xù)天數(shù)突變年份為1995年(圖4h),與≥0℃持續(xù)天數(shù)突變?nèi)掌谙嗖钶^小。將內(nèi)蒙古地區(qū)≥10℃的持續(xù)天數(shù)與經(jīng)緯度做相關(guān)分析,≥10℃的持續(xù)天數(shù)與經(jīng)緯度呈負相關(guān)關(guān)系,與經(jīng)緯度相關(guān)系數(shù)分別為r=-0.56和r=-0.73。
圖4 ≥0℃和≥10℃初終日間持續(xù)天數(shù)氣候特征
內(nèi)蒙古地區(qū)≥0℃終日空間分布自東向西逐漸推遲,終日在10月5日和11月11日之間。東西部差異較大,最早地區(qū)為呼倫貝爾的圖里河地區(qū),最遲地區(qū)為阿拉善的吉蘭太地區(qū),極差為37天(圖5a)??臻g分布上,≥0℃終日氣候傾斜率在0.13~2.01 d/10 a之間。西部地區(qū)和東部地區(qū)的終日推遲速率較高。其中,興安盟的烏蘭浩特、索倫和阿拉善盟的額濟納旗、阿拉善左旗的增長速率較高在1.59 d/10 a以上。中部地區(qū)推遲速率較低,其中,化德和東烏珠穆沁旗平均增長速率為0.14 d/10 a。1959—2018年間(圖5c),內(nèi)蒙古地區(qū)≥0℃平均終日為10月28日,最早為10月19日(1981年),最遲為11月6日(2011年)?!?℃終日平均推遲速率為1 d/10 a(圖5e)。通過Mann-Kendall方法對≥0℃終日進行檢驗發(fā)現(xiàn),≥0℃終日突變時期為1993年(圖5g)。將內(nèi)蒙古地區(qū)≥10℃的終日與經(jīng)緯度做相關(guān)分析,≥0℃的持續(xù)天數(shù)與經(jīng)緯度呈負相關(guān)關(guān)系,與經(jīng)緯度相關(guān)系數(shù)分別為r=-0.58和r=-0.84。經(jīng)緯度越高,終日越提前。相關(guān)程度達到了了極顯著水平(P<0.01)。
內(nèi)蒙古地區(qū)≥10℃終日空間分布與≥0℃終日分布相似。終日在8月29日和10月10日之間(圖5b)。終日最早出現(xiàn)在呼倫貝爾的圖里河附近。最遲出現(xiàn)在阿拉善盟的吉蘭太附近。終日出現(xiàn)極差為43天??臻g分布上,終日推遲速率在-0.12~1.92 d/10 a之間。除寶國吐和赤峰推遲速率為負值,表現(xiàn)為提前速率外。其余站點的推遲速率均為正值(圖5d)。1959—2018年,內(nèi)蒙古地區(qū)≥10℃平均終日為9月24日。最早為9月11日(1972年),最遲為10月5日(1998年)?!?0℃終日平均推遲速率為1.05 d/10 a(圖5f)。通過Mann-Kendall方法對≥10℃終日變化進行突變檢驗可知,突變?nèi)掌跒?996年(圖5h)。將內(nèi)蒙古地區(qū)≥10℃的終日與經(jīng)緯度做相關(guān)分析,≥10℃的終日與經(jīng)緯度的關(guān)系和≥0℃相同。相關(guān)系數(shù)分別為-0.54和-0.75。相關(guān)程度達到了0.01的極顯著水平。
圖5 ≥0℃和≥10℃終日氣候特征
本研究基于1959—2018年近60年氣象資料,定量評價了內(nèi)蒙古地區(qū)≥0℃和≥10℃初終日,初終日間持續(xù)天數(shù)及積溫的空間分布特征。結(jié)論如下:
(1)在空間分布上,≥0℃和≥10℃初日均表現(xiàn)為西部地區(qū)較早,東部地區(qū)較晚的現(xiàn)象,除赤峰和寶國吐初日(≥10℃)為推遲趨勢外,初日整體呈提前趨勢,氣候傾斜率分別為1.49 d/10 a和0.63 d/10 a。而終日在空間分布上則為西部地區(qū)較遲,東部地區(qū)較早。除赤峰和寶國吐初日(≥10℃)為提前趨勢外,終日整體呈推遲趨勢,≥0℃和≥10℃終日氣候傾斜率為2.5 d/10 a和4.3 d/10 a。
(2)≥0℃和≥10℃初日提前和終日推遲導致內(nèi)蒙古地區(qū)積溫和初終日間持續(xù)天數(shù)呈增加趨勢,≥0℃和≥10℃平均積溫分別為3175、2625℃,平均持續(xù)天數(shù)為214、143天,積溫與持續(xù)天數(shù)在空間分布上相似,自西向東呈減少的分布趨勢?!?℃和≥10℃積溫氣候傾斜率均為正值,平均氣候傾斜率分別為93.53℃/10 a和75.48℃/10 a?!?℃和≥10℃初終日間持續(xù)天數(shù)除赤峰、寶國吐為減少趨勢外(≥10℃),其余為站點均為增長趨勢,平均氣候傾斜率分別為2.5 d/10 a和2.3 d/10 a。
(3)由Mann-Kendall突變檢驗可知,≥0℃和≥10℃初日突變年份分別為1993和1994年,積溫突變年份分別為1991和1993年,持續(xù)天數(shù)突變年份為1996和1995年。終日突變年份分別為1993年和1996年。通過建立初日、積溫、持續(xù)天數(shù)和終日與經(jīng)緯度之間的相關(guān)關(guān)系可知,≥0℃和≥10℃初日與經(jīng)緯度呈正相關(guān)關(guān)系,積溫、持續(xù)天數(shù)和終日與經(jīng)緯度之間呈負相關(guān)關(guān)系。
氣候變暖是導致內(nèi)蒙古地區(qū)作物生長發(fā)育變化的主要因素。種植模式的改變是初終日間持續(xù)天數(shù)延長,作物生育期積溫和年積溫共同增加的結(jié)果。通過對以往內(nèi)蒙古種植資料進行分析,研究表明氣候變化使內(nèi)蒙古地區(qū)的作物發(fā)育過程發(fā)生了巨大變化。不同作物對氣候變化響應(yīng)不同,侯瓊等[24]利用1955—2005年氣象資料和1981—2007年的生育期資料,探討了氣候變化特征對主要作物物候期和面積的影響,對于某些喜溫作物,氣候變化導致春玉米生育期延長了10~20天。但是對于喜涼作物,如春小麥和大豆等,氣候變暖將導致其生育期縮短。馬鈴薯的生育期整體變化不大。而肖登攀[25]也指出氣候變暖導致內(nèi)蒙古春玉米平均延長了4.5 d/10 a。而春小麥生育期則平均縮短了1.4 d/10 a,生育期延長導致內(nèi)蒙古早熟型玉米種植區(qū)向中熟和中晚熟區(qū)域過渡。內(nèi)蒙古地區(qū)≥0℃和≥10℃初終日,積溫和持續(xù)天數(shù)空間差異明顯,東西部≥0℃和≥10℃初日極差為 31、52天、積溫差為2559、3664℃,持續(xù)天數(shù)極差分別為78、91天。終日極差為37、43天。在實際生產(chǎn)中,應(yīng)該注意地區(qū)間的差異,根據(jù)當?shù)貙嶋H情況,調(diào)整作物空間布局,改變播種日期,挑選新品種以充分利用當?shù)貧夂蛸Y源。此外,作物生長還受降雨、日照時數(shù)等的影響。東部地區(qū)緯度較高,溫度為主要限制因素,氣溫升高彌補了該地區(qū)積溫不足的影響,導致光,溫和水協(xié)同性較好,導致東部地區(qū)氣候適宜度較好,成為作物生長的潛力區(qū)。對于氣溫較高的地區(qū),氣溫升高可能會帶來不利的影響。同時,關(guān)注未來氣候變化對作物的影響非常重要,王培娟[13]等指出在未來氣候變化情景下,2021—2040年2個年代際時間段,東北地區(qū)春玉米種植區(qū)的北移東擴的速率較前50年的速率更快。而紀瑞鵬[26]指出,基于WOFOST7.1作物生長模型模擬,2011—2050的東北地區(qū)產(chǎn)量較1961—1990年平均減產(chǎn)9.5%。肖登攀[27]通過APSIM(Agricultural Production Systems IMulator)模型模擬了華北平原未來氣候變化情景下冬小麥和夏玉米的產(chǎn)量和需水量,得出未來氣候變化對冬小麥生產(chǎn)較為有利,而對玉米有負面影響。而這些在內(nèi)蒙古地區(qū)研究較少,這將會成為下一個研究方向。